砂胶比对GRC 抗弯强度和韧性的影响

唐世标 张 健 刘文昌

（1 广州立墙墙体材料有限公司)

(2 广州大学土木工程学院)

(3 广州番禺乔兴建设安装工程有限公司）

玻璃纤维增强水泥（简称GRC）是以水泥砂浆或水泥净浆为基体、以耐碱玻璃纤维为增强材料制成的复合材料。GRC 制品价格低、自重轻、阻燃性好、比强度较高，作为一种具有发展潜力的复合材料广泛应用于建筑工程、市政工程、城市景观、农用构件、水利工程等领域。GRC 制品的抗弯强度和韧性是影响用户选用的关键因素，也是研究人员关注的重点[1-2]。由于玻璃纤维的强韧化作用，GRC 具有较高的强度，断裂韧性有显著改善[3-4]。GRC 破坏过程不同于普通混凝土的脆性破坏，呈现弹塑性特征，有一个塑性延展过程[5]。

关于砂胶比对GRC 抗弯性能影响的研究较少，崔琪[6]认为在水灰比为0.38 和0.4 的两种情况下，GRC 抗弯强度随砂胶比的增加而有所降低，但砂胶比的增加对工艺成型影响较大，一般选择砂胶比为1.0 比较适宜。玻璃纤维加入方式的不同对于GRC 性能有很大影响，预混法可应用于有一定坡度甚至立面成型，易于制作细腻复杂表面的GRC 制品[7]。本文通过实验研究胶砂比对预混浇注法GRC 抗弯强度的影响，以及通过弯曲应力-挠度曲线分析GRC 的破坏过程，以期掌握砂胶比对GRC 弯曲性能的影响规律。

1 材料与方法

1.1 实验材料

⑴耐碱玻璃纤维，纤维单丝直径15μm，玻璃纤维长度为12mm，单股线密度98tex，湖北汇尔杰新材料科技股份有限公司产品（图1）。

图1 玻璃纤维

⑵低碱度硫铝酸盐水泥（L.SAC），强度等级42.5，广西云燕特种水泥建材有限公司产品。

⑶河砂，经2.36mm 方孔筛过筛，市售。

⑷减水剂，聚羧酸系高性能减水剂，中交第四航务工程局有限公司下属材料公司。

1.2 实验方法

本实验GRC 试样采用预混浇注法成型。将水泥、砂、水加入搅拌机，搅拌1min 后加入短切玻璃纤维继续搅拌3min，浇注入试模制成10mm 厚大板。将大板置于养护室恒温养护4d 后，再切割成6 块规格为250mm×50mm 的抗弯试件，置于通风良好的室内风干6d，对试样进行四点弯曲试验（图2）。试验参照《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》GB/T15231－2008 进行。支座间距210mm，试样上方有两个对称的加载点，加载点间距离70mm。用微机控制全自动测试系统上进行抗弯实验，加载过程的荷载-挠度曲线利用实验机自带传感器和软件系统记录。

1.3 配合比设计

图2 GRC 抗弯试验

为研究砂胶比对预混浇注GRC 抗弯性能的影响，试验设计了从0.75 到1.75 的五个不同砂胶比GRC 样。GRC 拌合物水胶比为0.40，玻璃纤维用量为固体组分的2.5%（质量比）。为研究玻璃纤维对GRC 抗弯强度的影响程度，还设计了分别与上述不同砂胶比GRC 配合比相对应的五种无玻璃纤维对比砂浆。当砂胶比较高时，适当添加减水剂来调整拌合物的流动度。为减少玻璃纤维的加入对拌合物流动性的影响，实验采用内掺法，即加入玻璃纤维的同时相应减少等质量的砂子。

不同砂胶比GRC 和对比砂浆试样的配合比如表1所示。

表1 不同砂胶比GRC 和对比砂浆试样的配合比

2 砂胶比对GRC 抗弯强度的影响

图3 所示为砂胶比对GRC 和对比砂浆抗弯强度的影响。从图3 可以看出，水胶比为0.4 时，随着砂胶比增大，无玻璃纤维的对比砂浆试样抗弯强度呈下降趋势。砂胶比从0.75 增加至1.75，对比砂浆的抗弯强度从10.2MPa 下降到7.8MPa，降幅为23.5%。这是由于砂胶比增大，用于包裹砂粒的水泥浆体不够，从而降低了对比砂浆的强度。但砂胶比偏大时，水泥浆体不足以密实砂粒间的空隙，拌合物的流动性反而下降，成型变得越来越困难，成型后试样内部有较多空隙，导致强度不降低。

图3 砂胶比与GRC 抗弯强度的关系

图3 显示GRC 抗弯强度-砂胶比曲线整体较平缓，表明随着砂胶比的增加，GRC 抗弯强度也略有下降。与砂胶比对砂浆抗弯强度的影响相比，其对GRC 抗弯强度的影响较小。砂胶比从0.75 增至1.75，GRC 抗弯强度从8.5MPa 下降至7.9MPa，降幅仅为7.1%。考虑到水泥用量增加导致GRC 收缩增大，成本上升，采用较高的砂胶比是有利的。

3 砂胶比对GRC 弯曲韧性的影响

图4 所示为不同砂胶比GRC 的典型弯曲应力-挠度曲线。从图4 可以看出，砂胶比不同的GRC 抗弯破坏时表现出不同的韧性特征。不同砂胶比GRC 的应力-挠度曲线顶部特征不同，当砂胶比为1.00 和1.25 时，应力-挠度曲线顶部呈弧形，表明GRC 具有韧性特征；而砂胶比为0.75、1.50 和1.75 时，应力-挠度曲线顶部尖锐，表面应力达到峰值时试件迅速破坏，表现较为明显的脆性破坏特征。当砂胶比较低时，富足的水泥浆体将玻璃纤维紧密包裹，使玻璃纤维难以从基体中拔出而表现为脆性断裂，不能起到分散裂纹的效果，GRC 表现为脆性破坏；而砂胶比很高时，砂粒对玻璃纤维产生挤压弯曲的物理破坏作用，使玻璃纤维断裂而不能够拔出，也降低了GRC 的韧性。因此，过高或过低的砂胶比对 GRC 的增韧效果都起负作用。

图4 不同砂胶比配制GRC 的典型弯曲应力- 挠度曲线

4 结论

本文研究了砂胶比对预混法GRC 抗弯性能的影响，得出如下结论：

⑴随着砂胶比的增加，GRC 抗弯强度也略有下降。砂胶比从0.75 增至1.75，GRC 抗弯强度从8.5MPa 下降至7.9MPa，降幅为7.1%。考虑到水泥用量增加导致GRC收缩增大，成本上升，采用较高的砂胶比是有利的。

⑵不同砂胶比GRC 的应力-挠度曲线顶部特征不同，当砂胶比为1.00 和1.25 时，GRC 具有较好的韧性特征，过高或过低的砂胶比对GRC 的增韧效果都起负作用。